KTMT

Msc. Võ Văn Chín
ThS. Nguyễn Hồng Vân
KS Phạm Hữu Tài
Giáo trình
KIẾN TRÚC MÁY TÍNH
Được biên soạn trong khuôn khổ dự án ASVIET002CNTT
”Tăng cường hiệu quả đào tạo và năng lực tự đào tạo của sinh viên
khoa Công nghệ Thông tin - Đại học Cần thơ”
Đại học Cần Thơ - 12/2003
Kiến trúc máy tính Mục lục
MỤC LỤC
*****
MỤC LỤC 2
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 5
GIÁO TRÌNH KIẾN TRÚC MÁY TÍNH 5
MỤC ĐÍCH 5
YÊU CẦU 5
NỘIDUNG 6
KIẾN THỨC TIÊNQUYẾT 6
TÀILIỆUTHAM KHẢO 6
PHƯƠNGPHÁP HỌC TẬP 6
CHƯƠNG I: ĐẠI CƯƠNG 7
I.1 CÁCTHẾ HỆ MÁY TÍNH 7
a. Thế hệ đầu tiên (1946-1957) 7
b. Thế hệ thứ hai (1958-1964) 8
c. Thế hệ thứ ba (1965-1971) 8
d. Thế hệ thứ tư (1972-????) 8
e. Khuynh hướng hiện tại 8
I.2 PHÂNLOẠI MÁY TÍNH 9
I.3 THÀNH QUẢ CỦA MÁYTÍNH 10
QUILUẬT MOOREVỀ SỰ PHÁTTRIỂNCỦA MÁY TÍNH 10
I.4- THÔNG TINVÀSỰ MÃ HOÁTHÔNG TIN 12
I.4.1 - Khái niệm thông tin 12
I.4.2 - Lượng thông tin và sự mã hoá thông tin 13
I.4.3 - Biểu diễn các số: 13
I.4.4 Số nguyên có dấu 16
I.4.5 - Cách biểu diễn số với dấu chấm động: 17
I.4.6 - Biểu diễn các số thập phân 19
I.4.7 - Biểu diễn các ký tự 19
CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG I 22
CHƯƠNG II: KIẾN TRÚC PHẦN MỀM BỘ XỬ LÝ 23
II.1 - THÀNHPHẦN CƠ BẢNCỦAMỘTMÁY TÍNH 23
II.2 - ĐỊNH NGHĨA KIẾNTRÚCMÁY TÍNH 25
II.3 - CÁCKIỂU THIHÀNHMỘTLỆNH 25
II.4 - KIỂU KIẾNTRÚCTHANH GHI ĐA DỤNG 27
II.5 - TẬPLỆNH 27
II.5.1 - Gán trị 28
II.5.2 - Lệnh có điều kiện 29
II.5.3 - Vòng lặp 30
II.5.4 - Thâm nhập bộ nhớ ngăn xếp 31
II.5.5 - Các thủ tục 31
II.6 - CÁCKIỂU ĐỊNH VỊ 33
2
Kiến trúc máy tính Mục lục
II.7 - KIỂU CỦATOÁN HẠNGVÀCHIỀU DÀICỦATOÁN HẠNG 34
II.8 - TÁCVỤ MÀLỆNHTHỰCHIỆN 34
II.9 - KIẾN TRÚC RISC ( REDUCED INSTRUCTION SET COMPUTER) 35
II.10 -KIỂU ĐỊNH VỊ TRONGCÁCBỘ XỬ LÝ RISC 37
II.10.1 - Kiểu định vị thanh ghi 37
II.10.2 - Kiểu định vị tức thì 37
II.10.3 - Kiểu định vị trực tiếp 38
II.10.4 - Kiểu định vị gián tiếp bằng thanh ghi + độ dời 38
II.10.5 - Kiểu định vị tự tăng 38
II.11 - NGÔNNGỮ CẤP CAOVÀNGÔN NGỮ MÁY 39
CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG II 41
CHƯƠNG III: TỔ CHỨC BỘ XỬ LÝ 42
III.1. ĐƯỜNG ĐI CỦA DỮ LIỆU 42
III.2. BỘĐIỀUKHIỂN 44
III.2.1. Bộ điều khiển mạch điện tử 44
III.2.2. Bộ điều khiển vi chương trình: 45
III.3. DIỄN TIẾNTHIHÀNHLỆNHMÃMÁY 46
III.4. NGẮT QUÃNG(INTERRUPT) 47
III.5. KỸ THUẬT ỐNG DẪN (PIPELINE) 48
III.6. KHÓ KHĂN TRONG KỸ THUẬT ỐNG DẪN 49
III.7. SIÊU ỐNG DẪN 51
III.8. SIÊUVÔ HƯỚNG (SUPERSCALAR) 52
III.9. MÁY TÍNHCÓLỆNH THẬTDÀI VLIW (VERY LONG INSTRUCTION
WORD) 53
III.10. MÁY TÍNH VECTƠ 53
III.11. MÁY TÍNH SONG SONG 53
III.12KIẾN TRÚC IA-64 59
a) Đặc trưng của kiến trúc IA-64: 59
b) Định dạng lệnh trong kiến trúc IA-64 60
CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG III 62
CHƯƠNG IV: CÁC CẤP BỘ NHỚ 63
IV.1. CÁCLOẠI BỘ NHỚ 63
IV.2. CÁCCẤP BỘ NHỚ 65
IV.3.XÁCSUẤTTRUYCẬPDỮ LIỆUTRONGBỘ NHỚ TRONG 66
IV.4.VẬNHÀNHCỦA CACHE 67
IV.5.HIỆU QUẢ CỦA CACHE 72
IV.6. CACHEDUYNHẤTHAYCACHE RIÊNGLẺ 73
IV.7. CÁCMỨC CACHE 73
IV.8. BỘ NHỚ TRONG 74
IV.9. BỘ NHỚẢO 75
IV.10. BẢO VỆ CÁCTIẾNTRÌNHBẰNGCÁCHDÙNGBỘ NHỚ ẢO 79
CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG IV 81
CHƯƠNG V: NHẬP - XUẤT 82
3
Kiến trúc máy tính Mục lục
V.1.DẪNNHẬP 82
V.2. ĐĨA TỪ 82
V.3. ĐĨA QUANG 84
V.4.CÁCLOẠI THẺ NHỚ 86
V.5. BĂNG TỪ 86
V.6.BUSNỐINGOẠI VIVÀO BỘ XỬ LÝ VÀBỘ NHỚ TRONG 87
V.7.CÁCCHUẨN VỀ BUS 89
V.8.GIAODIỆN GIỮA BỘ XỬ LÝVỚI CÁCBỘ PHẬNVÀORA 90
V.9. MỘTSỐ BIỆNPHÁP ANTOÀN DỮ LIỆUTRONG VIỆC LƯU TRỮ THÔNG
TINTRONG ĐĨA TỪ 91
CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG V 95
4
Kiến trúc máy tính Giới thiệu tổng quan
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
GIÁO TRÌNH KIẾN TRÚC MÁY TÍNH
MỤC ĐÍCH
Giáo trình này nhằm trang bị cho người đọc các nội dung chủ yếu sau:
Lịch sử phát triển của máy tính, các thế h ệ máy tính và cách phân loại máy
tính. Cách biến đổi cơ bản của hệ thống số, các bảng mã thông dụng được dùng để biểu
diễn các ký tự.
Giới thiệu các thành phần cơ bản của một hệ thống máy tính, khái niệm về kiến
trúc máy tính, tập lệnh. Các kiểu kiến trúc máy tính: mô tả kiến trúc, các kiểu định vị.
Giới thiệu cấu trúc của bộ xử lý trung tâm: tổ chức, chức năng và nguyên lý
hoạt động của các bộ phận bên trong bộ xử lý. Mô tả diễn tiến thi hành một lệnh mã máy
và một số kỹ thuật xử lý thông tin: ống dẫn, siêu ống dẫn, siêu vô hướng, máy tính có
lệnh thật dài, máy tính véc-tơ, xử lý song song và kiến trúc IA-64.
Giới thiệu chức năng và nguyên lý hoạt động của các cấp bộ nhớ máy tính.
Giới thiệu một số thiết bị lưu trữngoài như:đĩa từ, đĩa quang, thẻ nhớ, băng từ.
Hệ thống kết nối cơ bản các bộ phận bên trong máy tính. Cách giao tiếp giữa các ngoại vi
và bộ xử lý.
Phương pháp an toàn dữ liệu trên thiết bịlưu trữ ngoài.
YÊU CẦU
Sau khi học xong môn học này, người học được trang bị các kiến thức về:
Sinh viên được trang bị kiến thức về lịch sử phát triển củamáy tính, các thế hệ
máy tính và cách phân loại máy tính. Nắm vững các khái niệm cơ bản liên quan đến các
hệ thống số được dùng trong máy tính. Thành thạo các thao tác biến đổi số giữa các hệ
thống số.
Sinh viên có kiến thức về các thành phần cơ bản của một hệ thống máy tính,
khái niệm về kiến trúc máy tính, tập lệnh. Nắm vững các kiến thức về các kiểu kiến trúc
máy tính, các kiểu định vị được dùng trong kiến trúc, loại và chiều dài của toán hạng, tác
vụ mà máy tính có thể thực hiện. Phân biệt được hai loại kiến trúc: CISC (Complex
Instruction Set Computer), RISC (Reduced Instruction Set Computer). Các kiến thức cơ
bản về kiến trúc RISC, tổng quát tập lệnh của các kiến trúc máy tính.
Sinh viên phải nắm vững cấu trúc của bộ xử lý trung tâm và diễntiến thi hành
một lệnh mã máy, vì đây là cơ sở để hiểu được các hoạt động xử lý lệnh trong các kỹ
thuật xử lý thông tin trong máy tính.
Sinh viên phải hiểu được các cấp bộ nhớ và cách thức vận hành của các loại bộ
nhớ được giới thiệu để có thể đánh giá được hiệu năng hoạt động của các loại bộ nhớ.
Sinh viên phải nắm vững các kiến thức về hệ thống kết nối cơ bản các bộ phận
bên trong máy tính, cách giao tiếp giữa các ngoại vi và bộ xử lý. Biết được cấu tạo và các
vận hành của các loại thiết bị lưu trữ ngoài và phương pháp an toàn dữ liệu trên đĩa cứng.
5
Kiến trúc máy tính Giới thiệu tổng quan
NỘI DUNG
ChươngI: ĐẠICƯƠNG
Lịch sử phát triển của máy tính, thông tin và sự mã hoá thông tin.
ChươngII: KIẾN TRÚC PHẦN MỀM BỘ XỬ LÝ
Giới thiệu các thành phần cơ bản của một hệ thống máy tính, kiến trúc máy tính, tập
lệnh và các kiểu định vị cơ bản. Khái niệm về kiến trúc RISC và CISC, ngôn ngữ cấp cao
và ngôn ngữ máy.
Chương III: TỔ CHỨCBỘ XỬ LÝ
Giới thiệu cấu trúc của bộ xử lý trung tâm: tổ chức, chức năng và nguyên lý hoạt
động của các bộ phận bên trong bộ xử lý. Một số kỹ thuật xử lý thông tin.
ChươngIV: CÁCCẤPBỘ NHỚ
Giới thiệu chức năng và nguyên lý hoạt động của các cấp bộ nhớ máy tính.
Chương V: NHẬP - XUẤT
Thiết bị ngoại vi: các thành phần và hệ thống liên kết. Phương pháp an toàn dữ liệu
trên thiết bị lưu trữ ngoài
KIẾN THỨC TIÊN QUYẾT
-KỸ THUẬT SỐ (TH 313)
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Kiến trúc máy tính – Võ Văn Chín, Đại học Cần Thơ, 1997.
2. Computer Architecture: A Quantitative Approach, A. Patterson and J. Hennesy,
Morgan Kaufmann Publishers, 2nd Edition, 1996.
3. Computer Otganization and Architecture: Designing for Performance, Sixth
Edtion, William Stallings, Prentice Hall.
4. Principles of Computer Architecture, Miles Murdocca and Vincent Heuring
(internet- http://iiusaedu.com).
5. Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface, Patterson
and Hennessy, Second Edition (internet-http://engronline.ee.memphis.edu).
PHƯƠNG PHÁP HỌCTẬP
Do giáo trình chỉ mang tính chất giới thiệu tổng quát nên người đọc cần đọc thêm
các tài liệu giới thiệu về kiến trúc cụ thể của các bộ xử lý. Người đọc cần tìm hiểu thêm
các hình ảnh và ví dụ minh hoạ trong các tài liệu liên quan để thấy được sâu hơn vấn đề
được đặt ra.
6
Kiến trúc máy tính Chương I: Đại cương
Chương I: ĐẠI CƯƠNG
Mục đích: Giới thiệu lịch sử phát triển của máy tính, các thế hệ máy tính và cách
phân loại máy tính. Giới thiệu các cách biến đổi cơ bản của hệ thống số, các bảng mã
thông dụng được dùng để biểu diễn các ký tự.
Yêu cầu: Sinh viên được trang bị kiến thức về lịch sử phát triển của máy tính, các
thế hệ máy tính và cách phân loại máy tính. Nắm vững các khái niệm cơ bản liên quan
đến các hệ thống số được dùng trong máy tính. Thành thạo các thao tác biến đổi số giữa
các hệ thống số.
I.1 CÁC THẾ HỆ MÁY TÍNH
Sự phát triển của máy tính được mô tả dựa trên sự tiến bộ của các công nghệ chế tạo
các linh kiện cơ bản của máy tính như: bộ xử lý, bộ nhớ, các ngoại vi,…Ta có thể nói
máy tính điện tử số trải qua bốn thế hệ liên tiếp. Việc chuyển từ thế hệ trước sang thế hệ
sau được đặc trưng bằng một sựthay đổi cơ bản về công nghệ.
a. Thế hệ đầu tiên (1946-1957)
Hình 1.1: Máy tính ENIAC
ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) là máy tính điện tử số đầu
tiên do Giáo sư Mauchly và người học trò Eckert tại Đại học Pennsylvania thiết kế vào
năm 1943 và được hoàn thành vào năm 1946. Đây là một máy tính khổng lồ với thể tích
dài 20 mét, cao 2,8 mét và rộng vài mét. ENIAC bao gồm: 18.000 đèn điện tử, 1.500
7
Kiến trúc máy tính Chương I: Đại cương
công tắc tự động, cân nặng 30 tấn, và tiêu thụ 140KW giờ. Nó có 20 thanh ghi 10 bit
(tính toán trên số thập phân). Có khả n ăng thực hiện 5.000 phép toán cộng trong một
giây. Công việc lập trình bằng tay bằng cách đấu nối các đầu cắm điện và dùng các ngắt
điện.
Giáo sư toán học John Von Neumann đã đưa ra ý tưởng thiết kế máy tính IAS
(Princeton Institute for Advanced Studies): chương trình được lưu trong bộ nhớ, bộ điều
khiển sẽ lấy lệnh và biến đổi giá trị của dữ liệu trong phần bộ nhớ, bộ làm toán và luận lý
(ALU: Arithmetic And Logic Unit) được điều khiển để tính toán trên dữ liệu nhị phân,
điều khiển hoạt động của các thiết bị vào ra. Đây là một ý tưởng nền tảng cho các máy
tính hiện đại ngày nay. Máy tính này còn được gọi là máy tính Von Neumann.
Vào những năm đầu của thập niên 50, những máy tính thương mại đầu tiên được
đưa ra thị trường: 48 hệ máy UNIVAC I và 19 hệ máy IBM 701 đã được bán ra.
b. Thế hệ thứ hai (1958-1964)
Công ty Bell đã phát minh ra transistor vào năm 1947 và do đó thế hệ thứ hai của
máy tính được đặc trưng bằng sự thay thế các đèn điện tử bằng các transistor lưỡng
cực. Tuy nhiên, đến cuối thập niên 50, máy tính thương mại dùng transistor mới xuất
hiện trên thị trường. Kích thước máy tính giảm, rẻ tiền hơn, tiêu tốn năng lượng ít hơn.
Vào thời điểm này, mạch in và bộ nhớ bằng xuyến từ được dùng. Ngôn ngữ cấp cao xuất
hiện (như FORTRAN năm 1956, COBOL năm 1959, ALGOL năm 1960) và hệ điều
hành kiểu tuần tự(Batch Processing) được dùng. Trong hệđiều hành này, chương
trình của người dùng thứ nhất được chạy, xong đến chương trình của người dùng thứ
hai và cứ thế tiếp tục.
c. Thế hệ thứ ba (1965-1971)
Thế hệ thứ ba được đánh dấu bằng sự xuất hiện của các mạchkết (mạch tích hợp -
IC: Integrated Circuit). Các mạch kết độ tích hợp mật độ thấp (SSI: Small Scale
Integration) có thể chứa vài chục linh kiện và kết độ tích hợp mật độ trung bình (MSI:
Medium Scale Integration) chứa hàng trăm linh kiện trên mạch tích hợp.
Mạch in nhiều lớp xuất hiện, bộ nhớ bán dẫn bắt đầu thay thế bộ nhớ bằng xuyến từ.
Máy tính đa chương trình và hệ điều hành chia thời gian được dùng.
d. Thế hệ thứ tư (1972-????)
Thế hệ thứ tư được đánh dấu bằng các IC có mật độ tích hợp cao (LSI: Large Scale
Integration) có thể chứa hàng ngàn linh kiện. Các IC mật độ tích hợp rất cao (VLSI: Very
Large Scale Integration) có thể chứa hơn 10 ngàn linh kiện trên mạch. Hiện nay, các chip
VLSI chứa hàng triệu linh kiện.
Với sự xuất hiện của bộ vi xử lý (microprocessor) chứa cả phần thực hiện và phần
điều khiển của một bộ xử lý, sự phát triển của công nghệ bán dẫn các máy vi tính đã được
chế tạo và khởi đầu cho các thế hệ máy tính cá nhân.
Các bộ nhớ bán dẫn, bộ nhớ cache, bộ nhớ ảo được dùng rộng rãi.
Các kỹ thuật cải tiến tốc độ x ử lý của máy tính không ngừng được phát triển: kỹ
thuật ống dẫn, kỹ thuật vô hướng, xử lý song song mức độ cao,…
e. Khuynh hướnghiệntại

Xem chi tiết: KTMT